RU2336420C1

RU2336420C1 - Axial piston machine

Info

Publication number: RU2336420C1
Application number: RU2007108981/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Соколов (RU); Александр Григорьевич Соколов
Original assignee: ГОУВПО Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-10-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: machine relates to machine building and can be used as pump or compressor to pump over liquids or gases. It incorporates casing, intake and outlet valves and drive shaft. Casing and shaft cylindrical spaces form a common cylindrical chamber housing two pistons dividing this chamber into three working cylinders. Pistons outer surfaces are furnished with closed helical grooves accommodating dogs linking pistons with casing. Pistons are splined to the drive shaft. Said spline allows together with helical grooves pistons translation in the opposite directions during drive shaft rotation.

EFFECT: simple design, high manufacturability, efficiency and dynamic balance.

2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, более конкретно к поршневым насосам, компрессорам, и может быть использовано для перекачки жидкостей или нагнетания газов.The claimed invention relates to the field of engineering, and more particularly to piston pumps, compressors, and can be used for pumping liquids or pumping gases.

Аналогом заявляемого изобретения является поршневая машина, патент RU №2267012 С1, содержащая полый приводной вал, являющийся одновременно корпусом. В цилиндрической полости приводного вала-корпуса размещены поршни, на наружной поверхности которых выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие поршни с приводным валом-корпусом. Приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга. Поршни одеты на неподвижную центральную ось, при этом проворот поршней относительно оси ограничен шлицевым соединением. Цилиндрическая полость вала корпуса разделена перегородкой и поршнями, которых, как минимум, два, на четыре цилиндра. В оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.An analogue of the claimed invention is a piston machine, patent RU No. 2267012 C1, containing a hollow drive shaft, which is simultaneously a housing. Pistons are placed in the cylindrical cavity of the drive shaft-housing, on the outer surface of which a closed helical groove is made, in which leashes are placed kinematically connecting the pistons to the drive shaft-housing. The drive leads of the pistons are fixed in the housing with an offset relative to each other. The pistons are dressed on a fixed central axis, while the rotation of the pistons relative to the axis is limited by a spline connection. The cylindrical cavity of the shaft of the housing is divided by a partition and pistons, of which at least two, into four cylinders. Holes and cavities are made in the axis and body, forming a spool device, which provides the supply of the working fluid to the cylinders and its displacement from the cylinders according to a given cycle.

Поршневая машина-аналог работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением в цилиндры поршни начинают перемещаться вдоль оси. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок, нарезанных на наружной поверхности поршней, на поводки, что вызывает вследствие невозможности проворота поршней (за счет наличия шлицевого соединения их с неподвижной осью) вращательное движение корпуса. Так как поводки поршней зафиксированы в валу-корпусе со смещением, один из поршней достигает крайнего правого положения раньше, останавливается, а за счет того, что второй поршень продолжает поступательное движение, вращательное движение вала-корпуса продолжается, поводок первого поршня переходит в реверсивную ветвь его винтовой канавки и он начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство рабочее тело под давлением начинает поступать в цилиндр, в котором поршень совершает реверсивное движение, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. При достижении вторым поршнем крайнего положения происходит его остановка и за счет продолжения рабочего цикла первым поршнем уже поводки второго поршня переходят на реверсивную ветвь канавки и второй поршень начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство начинается подача под давлением рабочего тела в цилиндр за вторым поршнем и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение вала-корпуса, которое может быть использовано для привода исполнительного механизма.An analog piston machine operates as follows. When the working fluid is supplied under pressure to the cylinders, the pistons begin to move along the axis. During the translational movement of the pistons, the lateral surface of the helical grooves cut on the outer surface of the pistons acts on the leads, which, due to the impossibility of turning the pistons (due to their spline connection with the fixed axis), rotates the case. Since the piston leads are displaced in the shaft housing, one of the pistons reaches its extreme right position earlier, stops, and due to the fact that the second piston continues to move forward, the rotary shaft shaft continues to move, the lead of the first piston goes into its reverse branch helical grooves and it begins to move in the opposite direction. At the same time, through the spool device, the working fluid begins to flow under pressure into the cylinder, in which the piston reverses, and it is included in the duty cycle of rotation of the shaft-housing. When the second piston reaches its extreme position, it stops and due to the continuation of the working cycle by the first piston, the leashes of the second piston are already transferred to the reverse branch of the groove and the second piston starts moving in the opposite direction. At the same time, through the spool device, the pressure starts to flow into the cylinder after the second piston and it is included in the rotation cycle of the shaft-housing. Thus, the reciprocating movement of the pistons, caused by the pressure on them of the working fluid, is converted into rotational movement of the shaft-housing, which can be used to drive the actuator.

Аналог может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное и наоборот.The analogue can work in the modes of motor, pump, compressor, since it is based on a reversible mechanism for converting reciprocating to rotational movements and vice versa.

Недостатком аналога является то, что в нем поршни динамически не уравновешены, вследствие чего в нем возникают вибрации, а также то, что для управления процессом перекачки и нагнетания рабочего тела используется сложная золотниковая система с каналами малого сечения - высоким сопротивлением движению рабочего тела.The disadvantage of the analogue is that the pistons are not dynamically balanced in it, as a result of which vibrations occur in it, and also that a complex spool system with small cross-section channels is used to control the pumping and pumping of the working fluid - high resistance to movement of the working fluid.

Технической задачей заявляемого устройства является создание компактной, высокопроизводительной, динамически уравновешенной поршневой машины, обеспечивающей малую пульсацию рабочего тела и имеющей минимальное внутреннее сопротивление его движению, возможность работать в режимах насоса и компрессора.The technical task of the claimed device is the creation of a compact, high-performance, dynamically balanced piston machine, which provides a small pulsation of the working fluid and has minimal internal resistance to its movement, the ability to work in pump and compressor modes.

Поставленная задача решается тем, что заявляемая поршневая машина содержит корпус, полый приводной вал, цилиндрические полости корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены два поршня, которые делят цилиндрическую полость на три цилиндра. На наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки. Выступающие за пределы винтовых канавок части поводков зафиксированы в корпусе. Поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, на поршнях винтовые канавки и шлицевое соединение выполнены таким образом, что при вращении приводного вала поршни движутся поступательно в противоположные стороны. В корпусе размещены всасывающий и нагнетательный клапаны, в поршнях имеются каналы и клапаны, обеспечивающие перекачку и нагнетание рабочего тела.The problem is solved in that the inventive piston machine contains a housing, a hollow drive shaft, the cylindrical cavity of the housing and the drive shaft are made in such a way that they form a single cylindrical cavity in which two pistons are placed that divide the cylindrical cavity into three cylinders. On the outer surface of the pistons, closed longitudinal helical grooves are made in which the leashes are placed. The parts of the leads protruding beyond the helical grooves are fixed in the housing. Pistons are connected to the drive shaft by a spline connection, which allows the pistons to move freely along the shaft axis and transmit torque between them, on the pistons the screw grooves and the spline connection are made so that when the drive shaft rotates, the pistons move in opposite directions. In the housing there are suction and discharge valves, in the pistons there are channels and valves for pumping and forcing the working fluid.

Благодаря новой совокупности признаков заявляемого изобретения получаем конструктивно простую, нематериалоемкую машину с поршнями двухстороннего действия, что обеспечивает ей максимальную производительность при заданном объеме цилиндров и минимальную пульсацию рабочего тела, которая может работать как в режиме насоса, так и компрессора. При этом, так как поршни при поступательном движении перемещаются в разные стороны, происходит полное уравновешивание сил инерции, возникающих при их поступательном движении, а прямолинейность движения рабочего тела в заявляемой машине обеспечивает минимальные гидравлические потери в ней при перекачке жидкостей.Thanks to the new combination of features of the claimed invention, we obtain a structurally simple, non-material-intensive machine with double-acting pistons, which ensures maximum productivity for a given cylinder volume and minimum pulsation of the working fluid, which can operate both in pump and compressor mode. Moreover, since the pistons move in opposite directions during translational motion, the inertia forces arising from their translational motion are completely balanced, and the straightness of the movement of the working fluid in the inventive machine ensures minimal hydraulic losses in it when pumping liquids.

На фигурах 1 и 2 схематично представлен вариант выполнения заявляемой осевой поршневой машины при различных положениях поршней.In figures 1 and 2 schematically shows an embodiment of the inventive axial piston machine at different positions of the pistons.

Заявляемая осевая поршневая машина состоит из корпуса 1. В корпусе размещены полый приводной вал 2 и поршни 3, 4. На поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки 5, 6 и продольные пазы 7, 8. Во внутренней полости приводного вала 2 выполнены продольные пазы 9, 10. В корпусе 1 закреплены поводки 11, 12, которые частично погружены в замкнутые винтовые канавки 5, 6 поршней 3, 4. Поршни 3, 4 шлицевыми соединениями, организованными толкателями 13, 14, находящимися в пазах 7, 8 и 9, 10, кинематически связаны с приводным валом 2. Внутренние полости корпуса 1 и приводного вала 2 образуют единую цилиндрическую полость, которая поршнями 3, 4 разделяется на рабочие цилиндры I, II, III.The inventive axial piston machine consists of a housing 1. A hollow drive shaft 2 and pistons 3, 4 are placed in the housing. Closed helical grooves 5, 6 and longitudinal grooves 7, 8 are made on the surface of the pistons. Longitudinal grooves 9 are made in the internal cavity of the drive shaft 2, 10. In the housing 1 there are fixed leads 11, 12, which are partially immersed in closed screw grooves 5, 6 of the pistons 3, 4. Pistons 3, 4 with spline connections organized by pushers 13, 14 located in the grooves 7, 8 and 9, 10, kinematically connected with the drive shaft 2. The internal cavity of the housing 1 and pr the input shaft 2 form a single cylindrical cavity, which is divided by pistons 3, 4 into working cylinders I, II, III.

Управление процессами перекачки и нагнетания рабочего тела осуществляется двумя всасывающими клапанами 15, 16 и двумя нагнетательными клапанами 17, 18. Клапаны 15 и 18 установлены в корпусе 1, клапан 16 - в сквозном канале 19 поршня 3, а клапан 17 - в сквозном канале 20 поршня 4.The process of pumping and pumping the working fluid is carried out by two suction valves 15, 16 and two pressure valves 17, 18. Valves 15 and 18 are installed in the housing 1, valve 16 in the through channel 19 of the piston 3, and valve 17 in the through channel 20 of the piston four.

Заявляемая осевая поршневая машина работает следующим образом. При приложении крутящего момента к приводному валу 2, вызывающего его вращение, приводной вал 2 через толкатели 13 и 14 вовлекает во вращательное движение поршни 3, 4. При вращении поршней происходит набегание берегов винтовых канавок 5, 6 поршней 3, 4 на поводки 11, 12, что вызывает их поступательное перемещение. Винтовые канавки 5, 6 и продольные пазы 7, 8 выполнены таким образом, что поршни двигаются поступательно в разные стороны, в иллюстрируемом случае (фиг.1) поршни 3, 4 расходятся. За счет вытеснения поршнем 3 рабочего тела из цилиндра I происходит его перетекание из цилиндра I через клапан 16 и канал 19 в цилиндр II. Помимо этого, так как объем цилиндра II в два раза больше объема цилиндра I, в цилиндре II будет возникать разряжение, вызывающее засасывание рабочего тела через клапаны 15 и 16 в него. Одновременно поршнем 4 происходит вытеснение рабочего тела из цилиндра III через клапан 18, т.е. из поршневой машины в нагнетательную систему, например в трубопровод.The inventive axial piston machine operates as follows. When torque is applied to the drive shaft 2, causing it to rotate, the drive shaft 2 through the pushers 13 and 14 engages the pistons 3, 4 in the rotational movement. When the pistons rotate, the edges of the helical grooves 5, 6 of the pistons 3, 4 run onto the leads 11, 12 , which causes their translational movement. The helical grooves 5, 6 and the longitudinal grooves 7, 8 are made in such a way that the pistons move progressively in different directions, in the illustrated case (Fig. 1), the pistons 3, 4 diverge. Due to the displacement by the piston 3 of the working fluid from cylinder I, it flows from cylinder I through valve 16 and channel 19 into cylinder II. In addition, since the volume of cylinder II is two times larger than the volume of cylinder I, a vacuum will occur in cylinder II, causing the working fluid to be sucked through valves 15 and 16 into it. At the same time, the piston 4 displaces the working fluid from the cylinder III through the valve 18, i.e. from a piston machine to a discharge system, for example, to a pipeline.

При достижении поршнями 3, 4 крайних положений происходит переход поводков 11, 12 в реверсивные ветви винтовых канавок 5, 6, и поршни 3, 4 меняют направление поступательного движения и начинают двигаться навстречу друг другу. При движении поршней 3, 4 навстречу друг другу происходит вытеснение рабочего тела из цилиндра II через канал 20 и клапан 17 в цилиндр III. Так как объем рабочего тела, вытесняемого из цилиндра II, в два раза больше объема цилиндра III, то часть рабочего тела будет вытесняться через клапан 18 из поршневой машины. Одновременно в цилиндре I происходит всасывание рабочего тела через клапан 15. После достижения поршнями 3, 4 крайнего положения происходит переход поводков 11, 12 в ветви винтовых канавок прямого хода и цикл повторяется.When the pistons 3, 4 reach the extreme positions, the leads 11, 12 go into the reversible branches of the helical grooves 5, 6, and the pistons 3, 4 change the direction of translational motion and begin to move towards each other. When the pistons 3, 4 move towards each other, the working fluid is displaced from cylinder II through channel 20 and valve 17 into cylinder III. Since the volume of the working fluid displaced from the cylinder II is two times larger than the volume of the cylinder III, a part of the working fluid will be displaced through the valve 18 from the piston machine. At the same time, in the cylinder I, the working fluid is sucked through the valve 15. After the pistons 3, 4 reach the extreme position, the leads 11, 12 move in the branches of the helical grooves of the forward stroke and the cycle repeats.

Таким образом происходит перекачка и нагнетание рабочего тела в заявляемой осевой поршневой машине, т.е. она может работать в режимах насоса или компрессора и отвечает поставленной технической задаче.Thus, the pumping and injection of the working fluid in the inventive axial piston machine, i.e. it can operate in pump or compressor modes and meets the technical task.

Claims

An axial piston machine, characterized in that it comprises a housing, a hollow drive shaft, cylindrical cavities of the housing and the drive shaft are made in such a way that they form a single cylindrical cavity in which two pistons are placed, which divide the cylindrical cavity into three cylinders, on the outer surface of the pistons are made closed longitudinal helical grooves in which the leashes are located, protruding beyond the helical grooves of the part of the leashes are fixed in the housing, the pistons are connected to the drive shaft by a spline connection consisting of pushers placed in grooves made in each piston and drive shaft, providing free movement of the pistons along the axis of the shaft and transmission of torque between them, on the pistons the screw grooves and spline connection are made so that when the drive shaft rotates, the pistons move forward on the contrary, in the housing there are suction and discharge valves, in the pistons there are channels and valves that provide pumping and pumping of the working fluid.